RF Tekniği

Elektronik Haberleşme Teknolojisi

Dr. Öğr. Üyesi Hidayet OĞRAŞ

Elektronik Haberleşme Tek. Prog.

Osilatörler:

• Osilatör: Osilatör, harici bir sinyal kaynağı olmadan çıkışında

periyodik bir dalga formu üreten elektronik bir devredir.

• Bir osilatör, herhangi bir giriş olmaksızın sürekli, tekrarlanan,

alternatif bir dalga formu üreten bir devredir. Osilatörler, temel

olarak, bir DC kaynağından gelen tek yönlü akım akışını, devre

bileşenleri tarafından karar verildiği şekilde istenen frekansta

alternatif bir dalga biçimine dönüştürür.

• İletişim sistemleri, dijital sistemler (bilgisayarlar dahil) ve test

ekipmanı osilatörlerden yararlanır.

Osilasyon:

• Bir osilatör, salınım ilkeleri üzerinde çalışan elektronik bir

devredir. Enerjideki değişikliklere bağlı olarak iki şey arasındaki

periyodik dalgalanma yaratan sistemlerdir.

• Osilasyon ise bir ses dalgasının basıncı veya alternatif bir akımın

gerilimi olarak, bir ortalama değerin üzerinde ve altında

(maksimum ve minimum) tekrar tekrar ve düzenli olarak

dalgalanan etkidir veya kısaca tekrarlı varyasyondur.

• Salınımlar sadece elektronik veya mekanik sistemlerde değil, aynı

zamanda bilimin hemen hemen her alanında dinamik sistemlerde

de meydana gelir: Örneğin insan kalbinin atması gibi.

Osilatör & Osilasyon:

Salınım (Oscillation): Ortalama değer hakkında tekrar tekrar ve

düzenli olarak dalgalanan etki sonucu. (Salınım)

Osilatör (Oscillator): Bir osilatör, herhangi bir giriş olmaksızın

sürekli, tekrarlanan, alternatif bir dalga formu üreten bir

devredir.

Osilatörler, birçok sistemde farklı amaçlara hizmet ederler.

Analog ve Dijital haberleşme sistemlerinde, hatta

mikrodenetleyiciye pulse sinyali sağlamak için kullanılır.

Osilatör Çalışma Prensibi ve Fonksiyonu:

•Pek çok elektronik osilatör türü vardır, ancak hepsi aynı temel ilkeye

göre çalışır: bir osilatör her zaman, çıkışı fazdaki girişe geri beslenen

hassas bir amplifikatör kullanır. Böylece sinyal kendini yeniler ve

devam ettirir. Bu durum, Positive Feedback olarak bilinir.

•Osilatörler, bir güç kaynağından çıkan Doğru akımı (DC) alternatif

akım (AC) sinyaline dönüştürme fonkisyonuna sahiptirler.

•Bir osilatör devresi, bir AC çıkışı oluşturmak için bir transistör

kullanır. Çıkış salınımları, tank devre bileşenleri tarafından ya R ve C

ya da L ve C olarak üretilir. Önceki aşamadan herhangi bir girişe

gerek olmaksızın sürekli olarak çıktı üretmek için bir geri besleme

devresi kullanılır.

Osilatör:

• Bir osilatör, sürekli ve sürekli bir çıktı anlamına gelir. Sürekli

bir çıktıyı sürdürmek için, devam eden bir yeni enerji kaynağı

olmalıdır. Enerji, bir elektrik devresinden, bir DC güç

kaynağından veya başka bir tür jeneratörden gelmelidir. Aynı

durum, bir yayın depolanmış enerjiyi sisteme beslediği bir

sistem için de mevcuttur.

Osilatör Devreleri:

• Geri besleme osilatörü, salınımları korumak için çıkışın

olumlu bir geri beslemesine dayanır.

•

Örneğin, gevşeme (Relaxation) osilatörü, kare dalga gibi

sinüzoidal olmayan bir sinyal üretmek için bir RC

zamanlama devresini kullanır.

Sine wave

Square wave

Sawtooth wave

Feedback Osilatörler:

• Çoğu sistem, periyodik, genellikle sinüzoidal bir dalga formu

şeklinde bir girdi gerektirir. Periyodik sinyal, «Osilatör» olarak

bilinen özel bir devreden üretilir. Osilatörler, doğru akımı (DC) bir

güç kaynağından bir alternatif akım sinyaline dönüştürür. Birçok

elektronik cihazda yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

• Osilatörler birçok şekilde olabilir ve en yaygın biçim geri besleme

osilatörü (Feedback Oscillator) olarak kabul edilir.

• Feedback Osilatör devre yapısı

Osilatörlerin Kısımları:

• Amplifier: Gerilim yükseltici

• Feedback Devresi (Dalga şekillendirme ağı): Bu ağ, üretilen

dalganın şeklinden ve frekansından sorumlu olan filtre

devreleri gibi pasif bileşenlerden oluşur.

• Pozitif feedback yolu (Feedback path): Çıkış sinyalinin bir

kısmı, geri besleme sinyali yeniden oluşturulacak, yeniden

yükseltilecek ve sabit bir çıkış sinyali sağlamak için tekrar

geri beslenecek şekilde amplifikatör girişine geri beslenir.

Osilatör - Özet:

Özetçe, temel anlamda bir osilatör devresi kendisine geri

besleme yoluyla bir giriş sinyali sağlayan bir amplifikatördür.

Osilatörlerin öncelikli amacı ise sabit bir genlik ve belirli bir

frekansta belirli bir dalga formu üretmek ve bu dalga formunu

belirli gerilim ve frekans aralığında tutmaktır.

İlk olarak, sinyal için gerekli kazancı sağlamak için Amplifier

gereklidir. İkinci olarak, salınımları (osilasyonu) devam ettirmek

için feedback gereklidir.

Osilatör Sınıfları:

Temel olarak Osilatör türleri vardır:

1. Sinüsoidal Osilatörler

2. Non-Sinüsoidal Osilatörler (Relaxation Oscillators)

Sinüsoidal Osilatörler: Bunlar Harmonik osilatörler olarak

bilinir ve genellikle bir "LC ayarlı-geri bildirim (Tuned-

Feedback) veya "RC ayarlı-geri bildirim" tipi Osilatör, sabit

genliğe ve frekansa sahip sinüzoidal bir dalga formu üretir.

Osilatör Devre Sınıfları:

1. RC osilatörler

– Wien Bridge Osilatörü

– Faz-Kaydırmalı (Phase-Shift) Osilatör

2. LC osilatörler

– Hartley Osilatörü

– Colpitts Osilatörü

– Crystal Osilatörü

Osilatör & Osilasyon:

Salınım (Oscillation): Osilatörlerin çıkışındaki peryodik davranış

şeklidir.

Osilatör (Oscillator): Bir osilatör, herhangi bir giriş olmaksızın

sürekli, tekrarlanan, alternatif bir dalga formu üreten bir devredir.

Osilatörler, birçok sistemde farklı amaçlara hizmet ederler.

Analog ve Dijital haberleşme sistemlerinde, hatta

mikrodenetleyiciye pulse sinyali sağlamak için kullanılır.

Osilatörler:

• Oslatörler pozitive feedback (geribesleme) içeren bir amplifier dır.

• Osilatörlerin öncelikli amacı ise sabit bir genlik ve belirli bir

frekansta belirli bir dalga formu üretmek ve bu dalga formunu

belirli gerilim ve frekans aralığında tutmaktır.

• İlk olarak, sinyal için gerekli kazancı sağlamak için Amplifier

gereklidir. İkinci olarak, salınımları (osilasyonu) devam ettirmek

için feedback gereklidir.

• Salınımlar üreten elektronik devrelerdir.

Feedback (Geribesleme):

• Çıkış sinyalinin bir kısmının, aynı devrenin girişini takrardan

beslemesi, geribesleme (feedback) olarak adlandırılır. Bu etki,

çıkış ve giriş arasında bir bağımlılıkla sonuçlanır ve devrenin

çalışmasında etkili bir kontrol elde edilebilir. Feedback yapısı

iki sınıfta incelenir:

1. Pozitive Feedback

2. Negative Feedback

Positive Feedback:

• Pozitif geri besleme, bir amplifikatörün çıkış geriliminin bir

kısmının, net faz kayması olmaksızın girişe geri beslendiği ve

bunun da çıkış sinyalinin güçlendirilmesiyle sonuçlandığı

durumla karakterize edilir.

Bir feedback osilatörün temel bileşenleri:

Positive Feedback:

• Pozitif geri beslemede, geri besleme enerjisi (gerilim veya

akımlar), giriş sinyali ile faz oluşturmaz (aynı fazda, in phase)

ve böylece ona yardımcı olur. Pozitif geri besleme, amplifikatörün

kazancını artırır, ayrıca distorsiyonu, gürültüyü ve kararsızlığı da

artırır.

• Bu dezavantajlardan dolayı, pozitif geri besleme nadiren

amplifikatörlerde kullanılır. Pozitif feedback yapısı genellikle

osilatörlerde kullanılır.

Negative Feedback:

• Negatif geri beslemede, geri besleme enerjisi (gerilim veya akım),

giriş sinyali ile bir faz oluşturur (out of phase) ve buna terstir.

• Negatif geri besleme, amplifikatörün kazancını azaltır. Ayrıca

bozulmayı, gürültüyü ve istikrarsızlığı da azaltır.

• Negative feedback yapısı, bu avantajlardan dolayı sıklıkla

amplifikatörlerde kullanılır.

Negative Feedback:

Positive vs Negative Feedback Durumları:

Olumlu geribildirim kazancı artırır, ancak kazanç istikrarsızdır. Tersine,

negatif geri besleme kazancı azaltır ve onu dengeler.

Pozitive vs Negative Feedback Karşılaştırma

Osilasyon Koşulu:

İki koşulun sağlanması gerekir:

• Geri besleme döngüsü etrafındaki faz kayması etkili bir şekilde 0 °

olmalıdır.

• Geribeslemeli Osilatörün döngü kazancı (loop gain) 1 olmalıdır.

Geri beslemeli (Feedback) Osilatörler Çalışma Prensibi:

Sinüsoidal girişler için çıkış hemen hemen sinüsoidal olur bu

yüzden Linear Osilatörler olarak da adlandırılırlar.

Linear Osilatöler şu kısımları içerirler:

1. Frekans seçimli geri besleme (Feedback) devresi

2. Döngü kazancını korumak için bir Amplifier.



Amplifier (A)

Frequency-Selective

Feedback Network (



)



Positive

Feedback

Geri beslemeli (Feedback) Osilatör Devresi:

A: Amplifier Gain (open loop gain); B: Feedback Gain (Geribesleme kazancı)

AB: loop gain (Döngü kazancı)

Eğer Vs=0 ise, Vo ‘ın 0 olmaması için tek koşul AB=1 olması

durumudur. Bu koşul «Barkhausen Kriteri» olarak bilinir.

Barkhausen Kriteri:

Genel olarak, Barkhausen kriterlerinin iki koşulu vardır:

1. Birincisi kapalı döngü kazancı 1'e eşittir, yani

İkincisi kapalı döngü fazı 0'a eşittir, yani

Bu iki koşulla, osilatör devresi sinüzoidal bir sinyal üretecektir.

Örnek Sorular:

Osilasyon Başlama Koşulu:

• Salınımın başlaması için, pozitif geri besleme döngüsü etrafındaki

gerilim kazancı 1'den büyük olmalıdır, böylece çıkışın genliği istenen

bir seviyeye çıkabilir.

• Ardından, çıkışın istenen seviyede kalması ve salınımın sürdürülmesi

için kazanç 1'e düşmelidir.

• Başlangıçta, dirençlerde veya diğer bileşenlerde termal olarak üretilen

geniş bantlı gürültüden veya güç kaynağı açıldığında geçici akımlardan

küçük bir pozitif geri besleme gerilimi gelişir.

Pratik anlamda Tasarım Koşulu:

• Genellikle, osilatörler, çıkışta istenilen frekans seviyesi için döngü

kazanım büyüklüğü (Loop Gain) birim değerden (AB=1) biraz daha

yüksek olacak şekilde tasarlanırlar.

• Tasarım bu şekilde yapılır, çünkü eğer AB=1 döngü kazancı

büyüklüğü ile tasarlanır ise, kazançta hafif bir azalma sıfıra inen

salınımlara neden olabilecektir.

• Bu şekilde tasarlanan Osilatör devresinin dezavantajı ise çok daha

yüksek kazanç, kırpılacak noktaya kadar büyüyen salınım ile

sonuçlanır ki bu da salınımın biraz bozulmasına neden olacaktır.

REZONANS FREKANS

• Rezonans Frekans: Rezonans frekansı, bir sistemin doğal veya

zorlanmamış rezonansındaki salınımıdır. Rezonans, bir sistem

Kinetik enerji veya Potansiyel enerji gibi farklı depolama modları

arasında enerji depolayabildiğinde ve kolayca aktarabildiğinde

ortaya çıkar.

• Rezonans frekansı, maksimum salınım derecesine ulaşan bir cismin

veya sistemin karakteristik frekansıdır.

• Bir elektrik sisteminde, rezonans frekansı, transfer fonksiyonunun

maksimum değerine ulaştığı frekans olarak tanımlanır. Böylece

belirli bir girdi için maksimum çıktı elde edilebilir. Rezonansın

kapasitif empedans ve endüktif empedans değerleri eşit olduğunda

elde edildiği kanıtlanmıştır.

Rezonans Frekans Formulü:

• Rezonans frekansı, rezonans altındaki bir devrenin frekansıdır.

Rezonans devresi, LC devresi veya tank devresi olarak da bilinir.

Bu devre, birbirine paralel bağlanmış bir indüktör ve kapasitör

içerir. Rezonans devreleri, belirli bir frekans oluşturmak veya

karmaşık bir devreden belirli bir frekansı seçmek için kullanılır.

• Rezonans, salınımlı harekette önemli bir kavramdır. Rezonans

frekansı, maksimum salınım derecesine ulaşan bir cismin veya

sistemin karakteristik frekansıdır. Bir elektrik sisteminde, rezonans

frekansı, transfer fonksiyonunun maksimum değerine ulaştığı

frekans olarak tanımlanır. Böylece belirli bir girdi için maksimum

çıktı elde edilebilir. Rezonansın kapasitif empedans ve endüktif

empedans değerleri eşit olduğunda elde edildiği kanıtlanmıştır.

LC Osilatör Devresi ve Rezonans Frekansı:

• Bir indüktör, kapasitör ve dirençten oluşan bir devreye sabit bir

gerilim ama değişken frekans ile uygulandığında, hem

Kapasitör/Direnç hem de İndüktör/Direnç devrelerinin reaktansı,

çıkış sinyalinin genliği ve fazı kullanılan bileşenlerin

reaktansından dolayı değişir.

• Yüksek frekanslarda, bir kapasitörün reaktansı çok düşüktür ve

kapasitör kısa devre gibi davranır. İndüktörün reaktansı ise çok

büyüktür ve açık devre gibi davranır. Düşük frekanslarda ise bunun

tam tersi geçerlidir.

LC Osilatör Devresi ve Rezonans Frekansı:

• Bu iki uç arasında, indüktör ve kapasitörün kombinasyonu,

kapasitif ve endüktif reaktansların eşit olduğu ve birbirlerinin iptal

ettiği bir Rezonans Frekansına (ƒr) sahiptir. Bu rezonans frekans

değerinde C (Kapasitör) ile L(İnductor) birbirini götürür ve sadece

devrenin toplam empedansı direnç olarak kalır. Bu durum, devrede

akım ile gerilim arasında artık faz farkı olmadığını açıklar. Bu

frekans değerine «Rezonans frekans (fr)» denir.

• Matematiksel olarak bu ifadeyi gösterelim!!

LC Osilatör Devresi ve Rezonans Frekansı:

• Seri olarak birbirine bağlı bir RLC devresi düşünelim.

• Devrenin toplam empedansı:

• Rezonans durumunda devre tamamen dirençlidir. Bu, rezonans

durumunda veya rezonans frekansında Z empedansının sanal

kısmının sıfır olacağı anlamına gelir.

LC Osilatör Devresi ve Rezonans Frekansı:

• Eşitlik biraz daha düzenlenirse:

• Biz biliyoruz ki:

• Yerine yazıldığında :

Rezonans Frekans

Örnek Soru – Rezonans Frekans:

1. Sadece L ve C elemanlarıyla oluşturulmuş bir elektrik devresinde

L=50 mH ve C=5 microF dır. Buna göre bu devrenin Rezonans

frekansı nedir?

Çözüm: Rezonans frekans ile bulunur.

Formülde yerine yazıldığında

fr= 318.4 Hz

olarak bulunur.

Rezonans Frekans

 Rezonansın önemi, devrenin rezonanstaki maksimum enerji

miktarını absorbe edebilmesi veya dağıtabilmesidir.

 Rezonans, bilinmeyen bir frekansı belirlemek için kullanışlıdır.

Örneğin, Rezonans müzik aletlerindeki ses yoğunluğunu artırmak

için kullanışlıdır. Rezonans, bir radyo alıcısını istenen herhangi

bir frekansa ayarlamak için kullanışlıdır.

 Rezonans frekansı, bir sistemin doğal veya zorlanmamış

rezonansındaki salınımıdır.

Seri Rezonans - RLC

 Düşünelim, devreye sabit genlikte ancak farklı frekanslarda bir

besleme gerilimi uygulanırsa, devrenin özelliklerine ne olur?

Ayrıca, bu değişen frekans nedeniyle iki reaktif bileşen üzerinde

devrelerin “frekans tepkisi” davranışı ne olurdu?

 Bir seri RLC devresinde, indüktörün endüktif reaktansının değer

olarak kapasitörün kapasitif reaktansına eşit hale geldiği bir

frekans noktası olur. Başka bir deyişle, XL = XC. Bunun

meydana geldiği noktaya devrenin Rezonans Frekans noktası

(ƒr) denir ve bir seri RLC devresini analiz ederken bu rezonans

frekansı bir Seri Rezonans üretir.

Seri Rezonans - RLC

 Seri Rezonans devreleri, elektrik ve elektronik devrelerde

kullanılan en önemli devrelerden biridir. AC şebeke filtreleri,

gürültü filtreleri ve ayrıca farklı frekans kanallarının alınması için

çok seçici bir ayar devresi üreten radyo ve televizyon ayarlama

devreleri gibi çeşitli biçimlerde bulunabilirler.

Frekansa karşı L ve C

Frekansa göre L nin Reaktansı:

Frekansa karşı endüktif reaktans grafiği düz bir doğrusal eğridir. Bir

indüktörün endüktif reaktans değeri, içinden geçen frekans arttıkça

doğrusal olarak artar. Bu nedenle frekansla doğru orantılıdır (XL ∝ ƒ)

Frekansa karşı L ve C

Frekansa göre C nin Reaktansı:

Frekansa karşı kapasitif reaktans grafiği hiperbolik bir eğridir. Bir

kapasitörün Reaktans değeri, düşük frekanslarda çok yüksek bir değere

sahiptir, ancak içinden geçen frekans arttıkça hızla azalır. Bu nedenle,

kapasitif reaktans negatiftir ve frekansla ters orantılıdır (XC ∝ ƒ -1)

Temel bir LC Osilatör Devresi

 Devre, bir endüktif induktor (L) ve bir kapasitör (C) 'den oluşur.

Kapasitör, elektrostatik alan şeklinde enerji depolar ve bu da

plakaları boyunca potansiyel (statik gerilim) üretir. İnduktor

enerjisini elektromanyetik formda depolar. Kondansatör, anahtar A

konumuna getirilerek DC besleme gerilimine (V) kadar şarj edilir.

Kondansatör tam olarak şarj edildiğinde anahtar B konumuna geçer.

LC osilatör Devresinin çalışması

 Yüklü kapasitör, inductor (L) elemanına paralel olarak bağlanmıştır,

böylece kapasitör inductor tarafından boşalmaya başlar. Inductor

içindeki akım yükselmeye başladığında, kapasitördeki (C) gerilim

düşmeye başlar.

 Bu yükselen akım, inductor etrafında bu akım akışına direnen bir

elektromanyetik alan oluşturur. Kondansatörde, depolanan enerjiyi

tamamen boşaltılırken, bu enerji, L inductor sargılarının etrafında

bir elektromanyetik alan olarak depolanmaktadır. Kısaca L ile C

arasında bir enerji dönüşümü gerçekleşmektedir.

 Artık devrede, bobinin içindeki akımı korumak için harici bir

gerilim olmadığından, elektromanyetik enerji seviyesi düşmeye

başlar. Inductorda akımın orijinal yönde akmasını sağlayan bir

gerilim oluşmaya başlar.

LC osilatör Devresi çalışması-2

 Bu akım, kondansatörü (C) orijinal yükünün ters polaritesiyle şarj

eder. C, akım sıfıra düşene ve bobinin elektromanyetik enerjiyi

tamamen bitinceye kadar şarj olmaya devam eder.

 Bu süreç, bir LC osilatörler devresinin temelini oluşturur ve teorik

olarak ileri-geri döngü şeklinde süresiz olarak devam eder. Bununla

birlikte, kapasitörden, indüktöre, ve tam tersi durumlarda enerji her

aktarıldığında, zaman içinde salınımları sıfıra düşüren bazı enerji

kayıpları meydana gelir.

LC osilatörde Rezonans Frekans

fr : Rezonans frekans (Hz)

C : Farad cinsinden Kapasitans

L : Henry cinsinden İnductans

Not: Bu denklem, L veya C azalırsa, frekansın arttığını gösterir.

LC osilatör - Örnek

Örnek Soru – Rezonans Frekans:

 Aşağıda verilen LC rezonans devresinde C=10 mikroF ve L=100

mH dir. Buna göre rezonans frekans değerini bulunuz?

Çözüm:

Formülde değerler yerine konduğunda,

sonuç, fr=159,1 Hz olarak bulunur.

LC osilatör - Örnek

Örnek Soru – Rezonans Frekans:

 Rezonans Frekansı 100 Hz olan bir LC devresi tasarlayınız.

Çözüm:

Sonsuz sayıda farklı parametrelerle TASARLANABİLİR!!



Osilatör Sınıfları

1. LC osilatörler



Hartley Osilatörü

(Bu bölümde anlatılacaktır)



Colpitts Osilatörü



Crystal Osilatörü

2. RC osilatörler



Wien Bridge Osilatörü



Faz-Kaydırmalı (Phase-Shift) Osilatör

LC Oscillators

 LC osilatör, salınımları sürdürmek için gerekli pozitif geri

bildirimi vermek için bir LC (indüktör-kapasitör) tank devresinin

kullanıldığı bir osilatör türüdür. LC tank devresi ayrıca LC

rezonans devresi olarak adlandırılır.

 Sürekli salınımlar için Barkhausen kriterine göre, bir devre

yalnızca sistemin döngü kazancının 1'e eşit veya daha büyük

olduğu ve giriş ile çıkış arasındaki faz kaymasının 0 veya 2π'nin

integral katı olduğu frekanslar için kararlı salınımları

sürdürecektir.

 LC osilatörleri BJT, FET, MOSFET, opamp vb. kullanılarak

gerçekleştirilebilir. LC osilatörlerinin tipik uygulamaları arasında

RF sinyal üreteçleri, frekans karıştırıcılar, ayarlayıcılar, sinüs

dalgası üreteçleri, RF modülatörleri vb. yer alır.

LC Oscillators

 Geri besleme devrelerinde transistörler, (OP-AMP) ve LC

ayarlı devreler veya kristaller kullanılabilir.

 LC osilatörleri yüksek frekanslı dalgalar oluşturmak için

yaygın olarak kullanılır, bu nedenle bunlara RF osilatörleri de

denir. Endüktör ve kondansatörlerin pratik değerleri ile daha

yüksek aralıktaki (500 MHz üzeri) frekansları üretmek

mümkündür.

 KHz - MHz frekans aralığı için çıkış sinyalleri üretebilirler.

 Bu sınıf içerisinde: Hartley, Colpitts ve Crystal Osilatörler

bulunmaktadır.

LC Osilatörler - Hartley Osilatörü



Hartley Osilatörü:

 Hartley Osilatör, salınımlı çıktı (sinüzoidal) üreten bir cihazdır. LC

devresi veya tank devresi olarak da adlandırılan bir salınımlı devreye

bağlı bir amplifikatörden oluşur. Tank devresinin işlevi, belirli bir

frekansı ayarlamaktır. LC osilatörleri, radyo frekansı aralığında

çalışmak üzere tasarlanmıştır.

 Hartley osilatörü, klasik LC geri besleme devrelerinden biridir ve

yüksek frekanslı dalga formları veya sinyalleri oluşturmak için

kullanılır.

 Düşük frekanslı bir osilatör olamaz. Harmonik bozulmalar var.

LC Osilatörler - Hartley Osilatörü



Hartley Osilatörü, 1915 yılında Ralph Hartley tarafından icat edilen bir

tür harmonik osilatördür. Bunlar, radyo frekansı aralığında dalgaları

üretmek için kullanılır. RF Osilatörleri olarak da adlandırılan Hartley

Osilatörü, aynı zamanda ayarlı devre osilatörleridir. Salınım frekansına,

seri olarak bağlanan iki indüktöre paralel olarak bağlanmış bir

kapasitöre sahip bir elektronik devredir. OP-AMP tabanlı devresi

aşağıda verilmiştir.

Hartley Osilatörde Frekans

 OP-AMP (Amplifier) devresi kullanarak Hartley Osilatörü

oluşturmanın avantajı, OP-AMP kazancının R1 ve R2 geri

besleme dirençleri kullanılarak çok kolay ayarlanabilmesidir.

Hartley Osilatör devresinde verildiği gibi, devrenin kazancı

L1 / L2 oranından (Feedback Oranı) çok veya biraz daha büyük

olmalıdır.



Hartley Osilatörün Salınım Frekansı (Hz):

 Feedback oranı:

 Note : Formülde görüldüğü gibi salınım frekansı L ve C değerleriyle Ters

Orantılı bir şekilde değişmektedir.

 

1 2

2. L L C







Hartley Osilatör Özellikleri



Çıkış sinyali olarak iyi kalitede Sinüs dalgası (AC) üretir.

Üretilen sinyalin frekans aralığı 20 Khz – 20 Mhz

arasındadır.

Sabit bir frekans değerinde çıkış sinyalinin genliği

sabittir.

Devrede Harmonik bozulmalar meydana gelebilir.

Genellikle radyo alıcılarında yerel osilatör olarak

kullanılır.

Devrenin salınım frekansı Kapasitans (C) değerinin

değiştirilmesi ile değiştirilebilir.

Hartley Osilatör-Örnek Soru

Örnek-1 :

L1=0.5mH ; L2=1 mH ve C=0.2 microF parametrelerine sahip bir

Hartley osilatör devresinin salınım frekansını bulunuz.

Hartley Osilatör-Örnek Soru

Çözüm-1 :

Hartley Osilatör-Örnek Soru

Örnek-2 :

Her biri 0.5mH'lik iki ayrı indüktöre sahip bir Hartley Osilatör devresi,

100pF ile 500pF arasında ayarlanabilen değişken bir kondansatöre

paralel olarak rezonans yapacak şekilde tasarlanmıştır. Salınımın üst

ve alt frekanslarını ve ayrıca Hartley osilatörlerinin bant genişliğini

bulun.

Hartley Osilatör Soru Çözümü

Çözüm:

Salınım frekansı:

ve toplam L ise :

Lt = L1+L2 = 1 mH

Hartley Osilatörün Üst Frekansı için C=100 pF seçilmelidir. Buna göre

Hartley Osilatörün Alt Frekansı için C=500 pF seçilmelidir. Buna göre,

 Bant Genişliği ise,

 

1 2

2. L L C







olur.

Hartley Osilatör-Örnek Soru

Örnek-3 :

Bir Hartley osilatör devresinde L1=20 microH; L2=2 mH ve C ise

değişebilen kapasitördür. Hartley osilatöründen 1 MHz ve 2.5 MHz

aralığında çıkış frekansı elde etmek istiyorsak C değerinin kapasitans

aralığı ne olmalıdır?

Hartley Osilatör-Örnek Soru

Çözüm-3 :

Hartley Osilatör Özet

Çözümlü Sorular (Hartley Osilatör)

Örnek-1 :

Sırasıyla 1 mH ve 2 mH olan iki ayrı indüktöre sahip bir

Hartley Osilatör devresi, 500pF ile 1 nF arasında ayarlanabilen

değişken bir kondansatöre paralel olarak rezonans yapacak şekilde

tasarlanmıştır. Buna göre,

a) Salınımın üst ve alt frekanslarını,

b) Osilatörlerinin bant genişliğini,

c) Feedback oranını bulunuz.

Hartley Osilatör Soru Çözümü

Çözüm:

Salınım frekansı:

ve toplam L ise :

Lt = L1+L2 = 3 mH

Hartley Osilatörün Üst Frekansı için C=500 pF seçilmelidir. Buna göre

Alt Frekansı için C=1 nF seçilmelidir. Buna göre,

 Bant Genişliği ise,

 

1 2

2. L L C







olur.

Çözümlü Sorular (Hartley Osilatör)

Örnek-3 :

Beta=0.2 ve C=1 pF (sabit değerde) gibi değerlere sahip

bir Hartley osilatörü için 1 MHz çıkış frekansı için olması gereken her

iki inductor değerini (L1 ve L2) hesaplayınız.

Çözümlü Sorular (Hartley Osilatör)

L1/L2=0.2

olduğundan,

L2=5L1

olur. f=1 MHz ve C=1 pF

L2=5.L1 olduğundan,

Çözümlü Sorular (Hartley Osilatör)

Örnek-2 :

5 mH ve 10 mH lik iki indüktör kullanarak Bantgenişliği

100 KHz olan bir Hartley osilatör devresi tasarlayınız. (Kapasitans

değeri değişebilen kapasitörün min ve max değerleri ne olur



)

Osilatör Sınıfları

1. LC osilatörler



Hartley Osilatörü



Colpitts Osilatörü

(Bu bölümde anlatılacaktır)



Crystal Osilatörü

2. RC osilatörler



Wien Bridge Osilatörü



Faz-Kaydırmalı (Phase-Shift) Osilatör

LC Oscillators



Geri besleme devrelerinde transistörler, (OP-AMP)

ve LC ayarlı devreler veya kristaller kullanılabilir.

KHz - MHz frekans aralığı için çıkış sinyalleri

üretebilirler.

 Bu sınıf içerisinde: Hartley, Colpitts ve Crystal

Osilatörler bulunmaktadır.

Colpitts Osilatörü



LC osilatörleri farklı yöntemler kullanılarak tasarlanabilir. İyi bilinen

LC osilatörleri Hartley osilatörü ve Colpitts osilatörüdür. Bu ikisi

arasında, sık kullanılan tasarım, 1918'de Amerikalı bir mühendis

Edwin H Colpitts tarafından tasarlanan ve adını alan Colpitts

Osilatörüdür.

 Bu osilatör, her yönüyle Hartley osilatörüne neredeyse benzerdir; bu

nedenle, Hartley osilatörünün elektriksel çifti olarak adlandırılır ve

tipik olarak 10 KHz ila 300MHz arasında değişen yüksek frekanslı

sinüzoidal salınımların üretilmesi için tasarlanmıştır. Bu iki osilatör

arasındaki en büyük fark, Colpitts osilatörü kademeli kapasitans

kullanırken, Hartley osilatörü ise kademeli endüktans kullanır.

Colpitts Osilatörü Çalışması -1

 Colpitts osilatöründe bulunan Capacitorler ve Inductor elemanlarını

içeren LC devre kısmı aşağıda verilmiştir. Bu LC devre yapısı Tank

devresi olarak da geçmektedir.

 Güç kaynağı her açıldığında, yukarıdaki devrede gösterilen C1 ve C2

kapasitörleri şarj olmaya başlar ve kapasitörler tamamen şarj

olduktan sonra, kapasitörler devredeki indüktör L1'den boşalmaya

başlar ve tank devresinde sönümlü harmonik salınımlara neden olur.

Colpitts Osilatörü Çalışması -2

 Böylece, tank devresindeki salınım akımı ile C1 & C2 boyunca bir AC

gerilim üretilir. Bu kapasitörler tamamen deşarj olurken,

kapasitörlerde depolanan elektrostatik enerji manyetik akı

formunda indüktöre aktarılır ve böylece indüktör şarj edilir.

 Benzer şekilde, indüktör boşalmaya başladığında, kapasitörler

tekrar şarj etmeye başlar ve bu enerji şarj ve deşarj kapasitörleri ve

indüktör süreci, salınımların oluşmasına neden olur ve bu

salınımların frekansı, aşağıdakilerden oluşan tank devresinin

rezonans frekansı kullanılarak belirlenebilir. Bu tank devresi enerji

deposu olarak kabul edilebilir. Bunun nedeni, indüktörün sahip

olduğu enerjinin sürekli bir biçimde şarj ve deşarj olmasıdır. LC

ağının tank devresini kondansatörler ile beraber oluştururlar.

OP-AMP tabanlı Colpitts Osilatörü

 Opamp, R1'in giriş direnci ve Rf'nin geri besleme direnci olduğu ters

çevirme modunda düzenlenmiştir. Opamp esaslı osilatörün kazancı,

Rf ve R1 bileşenleri kullanılarak ayrı ayrı ayarlanabilir ve büyük bir

avantaj oluşturmaktadır. Ters çevrilmiş bir op-amp amplifikatörünün

kazancı denklem tarafından verilir; A = -Rf / R1. Tank devre

elemanları, kuplaj kapasitörleri vb. gibi diğer bileşenlerin, opamp

tabanlı Colpitts osilatörünün kazancında önemli bir etkisi yoktur.

Colpitts Osilatörü

 Colpitts Osilatörü, RF aralığında 30kHz ila 30MHz arasında yüksek

frekanslı Sinüs dalga sinyalleri üretmek için oldukça güvenilir bir

devredir. Ayrıca bu devrede üretilen Sinüs sinyalleri çok düşük

seviyede bozulmaya sahiptir yani tam bir sinüs üretmek mümkündür.

Salınım frekansı, aşağıdaki formül kullanılarak herhangi bir paralel

rezonant devre ile aynı şekilde hesaplanabilir:

 İki kapasitörün (seri bağlı) eş değer toplam kapasitansları şu şekilde

olur:

Colpitts Osilatörü - FeedBack Oranı

 C1 ve C2 kapasitörlerinin değerlerini değiştirerek tank devresine geri

gönderilen geri besleme gerilim miktarını ayarlayabiliriz. Bununla

birlikte, büyük miktarda geri bildirim, çıkış sinüs dalgasının

bozulmasına neden olabilirken, küçük miktarlarda geri bildirim,

devrenin salınmasına izin vermeyebilir.

 Daha sonra Colpitts osilatörü tarafından geliştirilen geri besleme

miktarı C1 ve C2'nin kapasitans oranına dayanır ve osilatörün

uyarımını yönetir. Bu orana “Geribesleme Oranı (Feedback Oranı)”

denir ve basitçe şöyle hesaplanır:

Colpitts Osilatör Avantajı



Colpitts Osilatörünün Hartley osilatörlerine göre avantajları,

Colpitts osilatörünün yüksek frekanslardaki kapasitörlerin düşük

empedans sergilemesi nedeniyle daha saf bir sinüzoidal dalga formu

üretmesidir. Ayrıca bu kapasitif reaktans özellikleri nedeniyle FET

bazlı Colpitts osilatörü çok yüksek frekanslarda çalışabilir.

 Bu osilatör, her yönüyle Hartley osilatörüne neredeyse benzerdir; bu

nedenle, Hartley osilatörünün elektriksel çifti olarak adlandırılır ve

tipik olarak 10 KHz ila 300MHz arasında değişen yüksek frekanslı

sinüzoidal salınımların üretilmesi için tasarlanmıştır. Bu iki osilatör

arasındaki en büyük fark, Colpitts osilatörü kademeli kapasitans

kullanırken, Hartley osilatörü ise kademeli endüktans kullanır.

Colpitts Osilatörü Özellikleri

 Colpitts osilatörü, yüksek frekanslı sinüs dalgası üreteci

olarak kullanılabilir.

Frekans kararlılığı yüksektir.

Frekans, her iki değişken kapasitör kullanılarak

değiştirilebilir.

Osilatör çıkışının genliği belirli bir frekans aralığında

sabittir.

Yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanabilir.

Genellikle radyo alıcılarında yerel osilatör olarak kullanılır.

Ayrıca RF osilatör veya Mobile uygulamalarda da kullanılır.

Colpitts Osilatör - Örnek Soru

Örnek :

Sırasıyla 24nF ve 240nF'lik iki kapasitöre sahip bir Colpitts Osilatör

devresi, 10mH'lik bir indüktöre paralel olarak bağlanmıştır. Buna

göre devrenin salınım frekansını ve geribesleme oranını bulunuz.

Colpitts devresi seri olarak iki kapasitörden oluştuğundan, toplam kapasitans:

İndüktörün endüktansı 10mH ise sonra salınım frekansı:

Geribesleme oranı ise şu şekilde hesaplanır:

Çözümlü Soru: - (Feedback devresi / Barkhausen kriteri)

Örnek-1: Verilen feedback devresinde salınımlar üretmek için

gerekli Kazanç (A) ve açısı (Teta) ne olmalıdır?

Çözüm-1: Barkhausen kriterine göre :

Dolayısıyla,

Çözümlü Soru: - (Feedback devresi / Barkhausen kriteri)

Örnek-2: Verilen feedback devresinde salınımlar üretmek için

gerekli Feedback faz açısı (Teta) ve kazancı (Beta) ne olmalıdır?

Çözüm-2: Barkhausen kriterine göre :

Dolayısıyla,

Çözümlü Soru: - (LC devresi / Rezonans frekans)

Örnek-3: Sadece L ve C elemanlarıyla oluşturulmuş bir elektrik

devresinde L=90 mH ve C=40 microF dır. Buna göre bu devrenin

Rezonans frekansı nedir?

Çözüm-3:

Rezonans frekans ile bulunur.

Dolayısıyla, değerler formülde yerine konduğunda,

Çözümlü Soru: - (LC devresi / Tasarım)

Örnek-4: Rezonans frekansı 1 KHz olan bir LC devresi (Tank

devresi) tasarlayınız.

Çözümlü Soru: - (Hartley Osilatörü)

Örnek-5: L1=5mH ; L2=20mH ve C=0.8 microF parametrelerine

sahip bir Hartley osilatör devresinin salınım frekansını bulunuz.

Çözüm-5:

Hartley osilatöründe salınım frekansı:

ile bulunur. Dolayısıyla verilen parametreler yerine konduğunda

Çözümlü Soru: - (Hartley Osilatörü)

Örnek-6:

Sırasıyla 2 mH ve 8 mH olan iki ayrı indüktöre sahip bir

Hartley Osilatör devresi, 400pF ile 1 nF arasında ayarlanabilen

değişken bir kondansatöre paralel olarak rezonans yapacak şekilde

tasarlanmıştır. Buna göre,

a) Salınımın üst ve alt frekanslarını,

b) Osilatörlerinin bant genişliğini,

c) Feedback oranını bulunuz.

Hartley Osilatör

Çözüm-6:

Salınım frekansı: ve toplam L ise

Lt = L1+L2 = 10 mH

Hartley Osilatörün Üst Frekansı için C=400 pF seçilmelidir. Buna göre

Alt Frekansı için C=1 nF seçilmelidir. Buna göre,

 Bant Genişliği ise,

 

1 2

2. L L C







olur.

Çözümlü Soru: - (Colpitts Osilatörü)

Örnek-7:

Sırasıyla 30 nF ve 270 nF'lik iki kapasitöre sahip bir Colpitts

Osilatör devresi, 100 mH'lik bir indüktöre paralel olarak bağlanmıştır.

Buna göre devrenin salınım frekansını ve geribesleme oranını

bulunuz.

Çözüm-7:

Colpitts osilatöründe salınım frekansı:

ve burada

Dolayısıyla verilen parametreler yerine konduğunda

L=100 mH ise olur.

Geribesleme oranı ise :

LC Osilatörler

LC osilatörler Özeti:

 LC Osilatörleri hatırlamak adına özetlemek gerekirse, basit bir

indüktör-kapasitör, LC devresinde, salınımlar, bileşen ve

devre kayıpları nedeniyle zamanla sönümlenir. Bu devre

kayıplarının üstesinden gelmek ve pozitif kazanç sağlamak

için gerilim amplifikasyonu gereklidir. Amplifikatörün genel

kazancı birden büyük olmalıdır. Ancak daha sonra osilasyon

devamlılığının sağlanması için Barkhausen Kriterinin

sağlanmış olması gerekir.

LC Osilatörler

LC Osilatörler Avantajları:

LC osilatörlerinin faydaları, faz kararlılığı ve gürültüye karşı

düşük duyarlılıktır.

 LC osilatörleri, Gevşeme osilatörlerinden daha yüksek Q

faktörüne sahiptir.

Daha küçük boyutlarında ve tasarım kolaylığına sahiptirler.

İyi tasarlandığında, yüksek frekansta ve iyi performansa

çalışabilirler.

LC Osilatörler

LC Osilatörler dezavantajları:

Frekans kararsızlığı mevcuttur.

Dalga formu zayıftır.

Düşük frekanslar için kullanılamaz.

İndüktörler aşırı büyük ve pahalıdır.

Gevşeme Osilatörlerine (Relaxation Oscilators) kıyasla daha

düşük ayar aralığına ve daha yüksek maliyete sahiptirler.